宇宙中充满了强大的超大质量黑洞，它们会产生强大的高能粒子喷流，在浩瀚的太空中创造出极端明亮的来源。当其中一个喷流直接指向地球时，科学家称黑洞系统为耀变体。

为了理解为什么喷流中的粒子以极高的速度和能量运动，科学家们期待着美国宇航局于2021年12月发射的IXPE(成像x射线偏振探测器)。IXPE测量x射线光的一种特殊性质，称为偏振，这与x射线频率下电磁波的组织有关。

一个由天体物理学家组成的国际团队发表了IXPE关于一个名为马卡里安421的耀变体的新发现。这颗耀斑位于大熊座，距离地球大约4亿光年。科学家们惊讶地发现，在粒子加速的喷流部分，磁场呈螺旋结构。

“马卡里安421是高能天文学家的老朋友，”意大利航天局天体物理学家劳拉·迪·格苏说，她是这篇新论文的主要作者。“我们确信耀变体将是IXPE的一个有价值的目标，但它的发现超出了我们的最佳预期，成功地展示了x射线偏振法如何丰富我们探测复杂磁场几何形状和相对论性喷流不同区域粒子加速的能力。”

这项详细介绍了IXPE团队在Markarian 421上的发现的新研究发表在最新一期的《自然天文学》上。

像马卡良421这样的喷流可以延伸数百万光年的长度。它们之所以特别明亮，是因为当粒子接近光速时，它们会释放出巨大的能量，并以爱因斯坦预测的奇怪方式表现出来。Blazar喷流格外明亮是因为，就像救护车的警报器在靠近时声音会更响一样，指向我们的光也会显得更亮。这就是为什么耀变体比它们所在星系的所有恒星都要亮。

尽管经过了几十年的研究，科学家们仍然没有完全掌握形成耀变体喷流的动力学和发射的物理过程。但是IXPE突破性的x射线偏振技术——测量光波电场的平均方向——让他们对这些目标、它们的物理几何形状和它们的发射源有了前所未有的了解。

典型的强力射流流出的研究模型通常描绘了一个螺旋结构，类似于人类DNA的组织方式。但是科学家们没有预料到螺旋结构会包含被冲击加速的粒子区域。

IXPE在2022年5月和6月对Markarian 421的三次长时间观测中发现了令人惊讶的偏振角变化。

“我们已经预料到偏振方向可能会改变，但基于之前对许多耀变体的光学观察，我们认为大的旋转将是罕见的，”赫尔曼马歇尔说，他是剑桥麻省理工学院的研究物理学家，也是该论文的合著者。“因此，我们计划对耀变体进行几次观测，第一次观测显示其恒定的极化率为15%。”

他补充说，值得注意的是，对IXPE偏振数据的初步分析似乎表明，在第一次和第二次观测之间，偏振值降至零。

马歇尔说:“然后我们认识到两极分化实际上是一样的，但它的方向实际上是一个u型转弯，在两天内旋转了近180度。”“然后，在一天后开始的第三次观察中，它再次让我们感到惊讶，观察到极化的方向继续以相同的速度旋转。”

更奇怪的是，同时进行的光学、红外和无线电测量显示，即使在偏振x射线发射偏离时，其稳定性和结构也没有任何变化。这意味着冲击波可能沿着喷流内部的螺旋磁场传播。

冲击波加速喷流粒子的概念与关于马卡里安501的理论是一致的，马卡里安501是IXPE观测到的第二颗耀变体，并于2022年底发表了一项研究。但它的表亲马卡里安421显示出更明确的证据，表明螺旋磁场对震动起了作用。

迪格苏、马歇尔和他们的同事们渴望对马卡里安421和其他耀变体进行进一步的观察，以了解更多关于这些喷流波动以及它们发生的频率。

迪格苏说:“多亏了IXPE，这是天体物理喷流研究的一个激动人心的时刻。”